114 年 國立成功大學臨床藥學與藥物科技研究所丙組《有機化學》

核心觀念

本題測驗有機化學第一章的核心基礎觀念：化學鍵的極性（Bond Polarity）與陰電性差（Electronegativity Difference, $\Delta\text{EN}$）。

在鮑林陰電性標度（Pauling Electronegativity Scale）中：

• 碳（$\text{C}$）的陰電性約為 $2.5$
• 氫（$\text{H}$）的陰電性約為 $2.1$

兩者之陰電性差為：
$\Delta\text{EN} = 2.5 - 2.1 = 0.4$

依據鍵極性的一般分類標準：

• $\Delta\text{EN} < 0.5$：非極性共價鍵（Nonpolar covalent bond）
• $0.5 \le \Delta\text{EN} \le 1.9$：極性共價鍵（Polar covalent bond）
• $\Delta\text{EN} > 1.9$：離子鍵（Ionic bond）

因此，烷烴中碳與氫所形成的 $\text{C}-\text{H}$ 單鍵，其共用電子對分布極為均勻，偶極矩（Dipole moment）微乎其微，在化學性質上被視為本質上非極性（essentially nonpolar）。

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解題方法

1. 分析鍵結原子：乙烷（$\text{CH}_3\text{CH}_3$）中碳與氫成鍵，為碳的 $\text{sp}^3$ 混成軌域與氫的 $1\text{s}$ 軌域以軸向重疊形成的單鍵（$\sigma$ 鍵）。
2. 評估電負度與偶極矩：$\text{C}$ 與 $\text{H}$ 的陰電性極為接近，電子雲偏移極小，不具明顯的局部正、負電荷分佈（$\delta^+ / \delta^-$）。
3. 對照選項：比對選項描述，$\text{C}-\text{H}$ 鍵既非多重鍵、無共振、非離子鍵，且非強極性鍵，最合適的描述為「本質上非極性（essentially nonpolar）」。

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選項分析

• A) highly polar（高度極性）：錯誤。

核心觀念

醯胺中的氮原子孤電子對可與羰基的 $\pi$ 電子共振，使 C—N 鍵帶有部分雙鍵性。氮原子因此趨近平面構型，近似採用 $sp^2$ 混成，周圍鍵角約為 $120^\circ$。

解題方法

題目問的是醯胺氮周圍的 H—N—CH$_3$ 鍵角。判斷時先看氮是否能與羰基共振：圖中結構為 CH$_3$C(=O)NHCH$_3$，氮的孤電子對與羰基共軛，因此氮附近近似平面三角形，H—N—CH$_3$ 鍵角約為 $120^\circ$。

選項分析

核心觀念

環烷烴的取代基編號要讓所有取代基取得最低的一組定位數。若兩個方向得到相同的最低定位數組合，再依取代基名稱的字母順序決定名稱中的排列次序。

解題方法

以圖中的七員環為母體，從連接 tert-butyl 的環碳開始編為 1，並沿著較近 Cl 的方向編號，可得到：

• tert-butyl 在 1 位
• Cl 在 2 位
• Br 在 5 位

定位數組合為 $1,2,5$。另一方向無法得到更低的定位數組合，因此採用 $1,2,5$。

寫取代基名稱時，tert- 在字母排序中不計入；tert-butyl 依 butyl 的 b 排序。

核心觀念

碳陽離子的穩定性主要來自烷基的誘導效應與超共軛作用。烷基能提供電子密度，分散帶正電的碳所承受的正電荷；與帶正電碳相鄰的烷基越多，通常穩定性越高：

$$\text{三級碳陽離子}>\text{二級碳陽離子}>\text{一級碳陽離子}$$

解題方法

判斷每個帶正電的碳直接連接幾個其他碳原子，再依碳陽離子的級數排序：

• I：帶正電的碳連接三個烷基，屬於三級碳陽離子。
• II：帶正電的末端碳只連接一個環上的碳，屬於一級碳陽離子。
• III：帶正電的碳連接兩個烷基，屬於二級碳陽離子。

核心觀念

本題測驗立體化學（Stereochemistry）中鏡像異構物過量百分比（Enantiomeric Excess, 簡稱 e.e.）的定義與計算。

鏡像異構物過量百分比（$\% \text{ e.e.}$）用以定量手性混合物中，主要鏡像異構物（Major enantiomer）超出次要鏡像異構物（Minor enantiomer）的淨比例，公式定義如下：

$$\% \text{ e.e.} = \frac{|[R] - [S]|}{[R] + [S]} \times 100\%$$

若以主要與次要異構物的莫耳百分比（或質量百分比）表示，亦可簡化為：

$$\% \text{ e.e.} = \%(\text{Major enantiomer}) - \%(\text{Minor enantiomer})$$

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解題方法

題目給定混合物中含有：

• 主要鏡像異構物佔比 $= 75\%$
• 其鏡像異構物（次要鏡像異構物）佔比 $= 25\%$

將兩者佔比直接代入 e.e. 的計算公式：

$$\% \text{ e.e.} = 75\% - 25\% = 50\%$$

因此，該對掌性混合物的鏡像異構物過量百分比為 $50\%$。

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選項分析

• A) 100：錯誤。$100\%$ 代表光學純（Optically pure）的單一鏡像異構物（$100\%$ 主要異構物，$0\%$ 次要異構物）。
• B) 75：錯誤。

核心觀念

本題考查兩個觀念：如何選擇含有羥基的主鏈並編號，以及如何用 Fischer 投影式判定手性中心的 $R/S$ 組態。Fischer 投影式中，橫線上的基團朝向觀察者，直線上的基團背向觀察者。

解題方法

沿著最長且包含羥基的碳鏈，由上往下可寫成：

$$\mathrm{HOCH_2-CH(Br)-CH(OH)-CH_2-CH_3}$$

主鏈有五個碳；從羥基端編號，使羥基取得較小的位置號，因此母體是 pentane-1,3-diol，溴在第 2 碳，名稱骨架為 2-bromopentane-1,3-diol。

接著依 CIP 規則判定兩個手性中心：

核心觀念

環狀醇命名時，連接羥基（$-\mathrm{OH}$）的環碳優先編為 1。接著選擇編號方向，使雙鍵與取代基取得較小的定位數；含雙鍵的母體名稱須標出雙鍵位置。

解題方法

圖中是五元環，羥基接在一個環碳上；環上另有一個甲基，且甲基所在的環碳與相鄰環碳之間形成雙鍵。

核心觀念

本題考三級胺的系統命名。三級胺的氮原子連接三個碳基；命名時，選一條連在氮上的最長碳鏈作為主鏈，其餘連在氮上的烷基以 N- 標示。

解題方法

核心觀念

環上有兩個羧酸基（$\mathrm{CO_2H}$）時，以環己烷為母體，名稱使用「環己烷-1,3-二羧酸」。楔形鍵與虛線鍵表示兩個取代基位於環平面的相反側，稱為 trans（反式）。

解題方法

核心觀念

酯類的系統命名格式為「烷基＋烷酸酯」：先辨認連在單鍵氧上的烷基，再從羰基碳開始，計算酸根部分的碳數。

解題方法

圖中羰基右側的氧連著兩個碳：氧後第一個折點為一個碳，末端為第二個碳，因此烷基是乙基。

核心觀念

此題考察鹵烷的親核取代反應。$I^-$ 取代與溴相連的碳上的 $Br$；依常見的 $S_\mathrm{N}2$ 反應機構，親核試劑從背面進攻，使該碳的立體構型反轉。其他立體中心不受影響。

解題方法

由 Fischer 投影判斷，$Br$ 所連的碳是鏈上的第一個立體中心。$S_\mathrm{N}2$ 反轉在 Fischer 投影中可用交換該中心兩個水平鍵上的基團表示：將右側的 $Br$ 換成 $I$，並把左側的 $H$ 移到右側。其餘碳上的基團位置保持不變。

產物的 Fischer 投影如下：

核心觀念

此題考烯烴與氫溴酸（HBr）的親電加成。在未標示過氧化物（ROOR）的情況下，依一般離子機構反應，遵循馬可尼可夫加成：氫加到原本氫較多的烯碳，溴加到較取代的烯碳。

解題方法

亞甲基環己烷的雙鍵位於環上的碳與環外末端 $CH_2$ 之間。先將 $H^+$ 加到環外的 $CH_2$，形成的碳正離子位於環上的碳，該碳連接兩個環碳，屬於較穩定的三級碳正離

核心觀念

中性水溶液中的高錳酸鉀可將內炔氧化成相鄰二酮（α-二酮）：炔鍵兩端的碳各形成一個羰基，兩個碳之間的鍵保留。《有機化學期刊》：高錳酸鉀氧化炔類製備 1,2-二酮

解題方法

核心觀念

本題考酚的去質子化，以及 Williamson 醚合成。氫氧化鈉將鄰硝基苯酚轉成酚氧負離子；酚氧負離子再與一級烷基磺酸酯進行 $S_\mathrm{N}2$ 反應，形成醚。

解題方法

1. $\mathrm{NaOH}$ 移除酚羥基上的氫，生成酚氧負離子。
2. 酚氧負離子進攻乙基對甲苯磺酸酯（$\mathrm{CH_3CH_2OTs}$）的乙基端，$\mathrm{OTs^-}$ 離去。

核心觀念

本題考 Diels–Alder 反應：共軛二烯與烯類親雙烯體在加熱下進行協同的 $[4+2]$ 環加成。反應形成兩個新的 $\sigma$ 鍵，並在環上留下一个雙鍵。此反應具立體專一性，親雙烯體上的取代基相對立體配置會保留在產物中。

解題方法

核心觀念

格氏試劑可形成新的碳碳鍵。它與環氧乙烷反應時，碳端進攻環氧環並使環開裂；酸性處理後，氧負離子轉為羥基。環氧乙烷可使碳鏈延長兩個碳。

解題方法

先將溴苯轉成溴化苯基鎂，再用環氧乙烷延長碳鏈，最後酸性處理得到伯醇：

核心觀念

這題考芳香族親電取代反應的定位效應，以及苄位側鏈氧化。羧基 $-\mathrm{CO_2H}$ 是強吸電子、間位定位基；先在苯環上形成羧基，再進行溴化，可使溴主要進入羧基的間位。

解題方法

先把苯轉成甲苯，再將甲基氧化成羧基，最後溴化：

$$\mathrm{C_6H_6} \xrightarrow[\ ]{\mathrm{CH_3Cl,\ AlCl_3}} \mathrm{C_6H_5CH_3} \xrightarrow[\Delta]{\mathrm{KMnO_4,\ OH^-;\ then\ H_3O^+}} \mathrm{C_6H_5CO_2H} \xrightarrow{\mathrm{Br_2,\ FeBr_3}} \mathrm{3\!-\!BrC_6H_4CO_2H}$$

核心觀念

產物比起始物多一個碳，且末端的溴代烷轉成一級胺。先用氰根取代溴，讓氰基中的碳併入碳鏈；再將腈還原成一級胺。

解題方法

起始物為 1-溴-3-甲基丁烷，結構可寫為 $\mathrm{BrCH_2CH_2CH(CH_3)CH_3}$。

第一步以氰化鈉在極性非質子溶劑中進行親核取代：

$$\mathrm{BrCH_2CH_2CH(CH_3)CH_3} \xrightarrow[\text{極性非質子溶劑}]{\mathrm{NaCN}} \mathrm{N{\equiv}CCH_2CH_2CH(CH_3)CH_3}$$

氰根以碳端進攻末端的 $\mathrm{CH_2}$，形成腈。此時，氰基的碳已成為碳鏈的一部分。

第二步以氫化鋁鋰還原腈，接著水解處理：

核心觀念

本題考的是酮的 α 位烷基化。酮的 α 氫可被強鹼移除，形成烯醇負離子；烯醇負離子再與一級鹵化烷進行 $S_\mathrm{N}2$ 反應，在 α 碳形成新的碳—碳鍵。

解題方法

以羰基碳為 $C1$ 編號，起始物的羰基兩側 α 位是 $C2$ 與 $C6$。由於 $4,4$-二甲基取代使分子兩側對稱，這兩個 α 位等價。用二異丙基氨基鋰（LDA）移除 α 氫形成烯醇負離子，再加入碘甲烷，即可在 α 碳接上甲基。

核心觀念

本題為有機光譜結構推導題（Spectroscopic Structure Elucidation），核心觀念與工具包括：

1. 不飽和度（Index of Hydrogen Deficiency, IHD / Degree of Unsaturation, DoU）：
   對於分子式 $\text{C}_c\text{H}_h\text{N}_n\text{O}_o$： $$\text{IHD} = c - \frac{h}{2} + \frac{n}{2} + 1$$
2. 紅外線光譜（IR Spectroscopy）：
   • $1740\text{ cm}^{-1}$：飽和脂肪族酯類（saturated aliphatic ester）之羰基（$\text{C=O}$）伸縮振動特徵吸收。
   • $2950\text{ cm}^{-1}$：$\text{sp}^3\text{ C–H}$ 伸縮振動。
3. 氫核磁共振光譜（$^1\text{H NMR}$）：
   • 化學位移（Chemical shift, $\delta$）：反映質子所處之化學環境與屏蔽效應（如鄰近羰基 $\alpha$ 位的 $-\text{CH}_2-$ 常落在 $\delta \approx 2.1 - 2.5$）。
   • 積分面積（Integration）：對應各基團之質子數比例。
   • 自旋裂分（$n+1$ 偶合法則）：鄰近質子數目決定分裂峰形（單峰 $\text{s}$、三重峰 $\text{t}$、四重峰 $\text{q}$）。
4. 碳核磁共振光譜（$^{13}\text{C NMR}$）：
   • 化學位移判定碳官能基環境（如酯羰基 $\delta > 170$、與氧直接相連之碳 $\delta \approx 60 - 80$）。
   • 離共振去偶或 DEPT 多重度判定碳級數：$\text{s}$（四級碳或無氫碳）、$\text{t}$（二級碳 $-\text{CH}_2-$）、$\text{q}$（一級碳 $-\text{CH}_3-$）。

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解題方法

步驟一：計算不飽和度（IHD）

分子式為 $\text{C}_7\text{H}_{14}\text{O}_2$：

$$\text{IHD} = 7 - \frac{14}{2} + 1 = 1$$

分子中僅含有 $1$ 個不飽和度（可能為 1 個雙鍵或 1 個環）。

步驟二：IR 光譜解析官能基

• $1740\text{ cm}^{-1}$ 為強吸收峰，明確指出分子中具有一個羰基（$\text{C=O}$），恰好耗盡該 $1$ 個不飽和度，表示分子骨架無其他雙鍵且無環狀結構（鏈狀分子）。
• IR 在 $3200 - 3600\text{ cm}^{-1}$ 無寬吸收峰（無 $-\text{OH}$，排除羧酸與醇類），結合含有 2 個氧原子與 $1740\text{ cm}^{-1}$ 的特徵波數，鎖定該分子為酯類（Ester）。

步驟三：$^1\text{H NMR}$ 訊號解析與基團拼裝

質子總數共 $2 + 3 + 9 = 14\text{ H}$，與分子式完全相符：

1. $\delta = 0.9\text{ ppm (9H, s)}$：
   • 高場處的 $9\text{H}$ 單峰，化學環境完全等價且鄰位無質子，為典型的第三丁基（tert-butyl group, $-\text{C(CH}_3)_3$）。
2. $\delta = 2.3\text{ ppm (2H, q)}$ 與 $\delta = 1.0\text{ ppm (3H, t)}$：
   • 兩者裂分分別為四重峰與三重峰，且互為偶合，為典型的乙基（Ethyl group, $-\text{CH}_2\text{CH}_3$）。
   • 其中 $-\text{CH}_2-$ 的化學位移落在 $\delta = 2.3\text{ ppm}$，屬於與羰基直接相連的 $\alpha$ 位質子（$-\text{CH}_2-\text{C(=O)}-$）；若乙基直接接在氧上（$-\text{O}-\text{CH}_2\text{CH}_3$），其 $-\text{CH}_2-$ 化學位移應位移至更低場的 $\delta \approx 4.1\text{ ppm}$。此數據證實乙基接於羰基碳上，組成丙醯基片段（$\text{CH}_3\text{CH}_2-\text{C(=O)}-$）。

步驟四：光譜片段組裝

分子扣除丙醯基片段與酯氧原子後：

$$\text{C}_7\text{H}_{14}\text{O}_2 - \text{C}_3\text{H}_5\text{O} = \text{C}_4\text{H}_9\text{O}$$

剩餘部分為一個第三丁基與一個烷氧基氧原子，即第三丁氧基（$-\text{O}-\text{C(CH}_3)_3$）。
兩大片段鍵結相連，得到完整結構為：

$$\text{CH}_3\text{CH}_2\text{COOC(CH}_3)_3\quad (\text{丙酸第三丁酯})$$

步驟五：$^{13}\text{C NMR}$ 驗證

分子具備對稱性，7 個碳原子呈現 5 組訊號：

• $\delta = 185\text{ ppm (s)}$：酯基之羰基碳（$-\underline{\text{C}}(=\text{O})\text{O}-$，無氫，故

核心觀念

比較的是三種陽離子的酸性，也就是它們失去質子 $H^+$ 的難易度。酸解離常數與 $pK_a$ 的關係為：

$$pK_a=-\log K_a$$

$pK_a$ 越低，酸性越強、越容易失去質子；因此本題要由低到高排列，就是由最容易解離到最不容易解離排列。

解題方法與各結構分析

三者失去質子後，分別形成吡咯、吡啶與咪唑。比較各陽離子解離的容易程度，可看失去質子後是否能形成穩定的共軛鹼，也可參考其共軛酸的 $pK_a$。

• 2：質子化的吡咯
  吡咯氮上的孤電子對原本參與芳香性；氮再接上一個質子後，芳香性受到破壞。失去這個質子可恢復吡咯的芳香性，因此此陽離子最容易解離，$pK_a$ 最低。

核心觀念

質譜中的分子離子峰 $M^{+\cdot}$ 可用來判斷分子量；碎片峰則反映分子離子裂解後形成的離子。含氯化合物會因氯的同位素而出現相隔 2 質量單位的 $M$ 與 $M+2$ 峰；含一個氮原子的化合物則符合氮規則：名目分子量為奇數。

解題方法

圖中分子離子峰位於 $m/z=101$，基峰約在 $m/z=86$，另有 $m/z=58、44、30$ 等碎片。先比對各選項的名目分子量，再看同位素峰與碎片是否符合分子結構。

選項 E 為三乙胺，分子式是 $\mathrm{C_6H_{15}N}$，名目分子量為：

$$6(12)+15(1)+14=101$$

分子離子可裂解形成含氮碎片；$m/z=86$ 對應分子離子失去一個甲基自由基（$15$ 質量單位）後的離子，較小的含氮碎片也與 $m/z=58、44、30$ 相符。

選項分析

核心觀念

本題測驗「羧酸衍生物的親核性醯基取代反應」（Nucleophilic Acyl Substitution, $\text{S}_\text{N}\text{Ac}$）。

• 受質活性：醯氯（Acyl chloride）具有極佳的離去基（$\text{Cl}^-$）與高親電性的羰基碳（Carbonyl carbon），容易受到中性胺基（Amine）的親核攻擊。
• 反應機制類型：標準的「加成－消除」兩步驟機制（Addition-Elimination Mechanism），並伴隨質子轉移（Proton transfer）。
• 化學計量觀念（Stoichiometry）：反應過程會釋出強酸 $\text{HCl}$，由於一級胺具鹼性，通常需要兩當量（2 equivalents）的胺（一當量作為親核試劑生成醯胺，另一當量作為鹼中和生成的 $\text{HCl}$ 形成銨鹽沉澱）；若無過量胺，亦可外加非親核性鹼（如吡啶 Pyridine 或三乙胺 $\text{Et}_3\text{N}$）。

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解題方法：逐步反應機制（Stepwise Mechanism）

本反應為乙醯氯（Acetyl chloride, $\text{CH}_3\text{COCl}$）與正丙胺（n-propylamine, $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{NH}_2$）反應生成 $N$-丙基乙醯胺（$N$-propylacetamide）與正丙銨氯鹽（n-propylammonium chloride）。

第一步：親核加成（Nucleophilic Addition）

正丙胺氮原子上的孤對電子（Lone pair）攻擊乙醯氯中帶部分正電荷的羰基碳原子，使羰基的 $\pi$ 鍵電子轉移至氧原子上，生成帶有四面體幾何結構的兩性離子中間體（Tetrahedral intermediate）：

$$\text{CH}_3-\overset{\overset{\text{O}}{\parallel}}{\text{C}}-\text{Cl} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\ddot{\text{N}}\text{H}_2 \rightleftharpoons \text{CH}_3-\overset{\overset{:\ddot{\text{O}}:^-}{\mid}}{\underset{\underset{^+\text{NH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3}{\mid}}{\text{C}}}-\text{Cl}$$

第二步：消除離去基重建羰基（Elimination of Leaving Group）

氧原子上的負電荷重新下推形成雙鍵，在強烈熱力學驅動力（重建強能量的 $\text{C}=\text{O}$ 雙鍵）下，較佳的離去基氯離子（$\text{Cl}^-$，共軛酸 $\text{p}K_\text{a} \approx -7$）被驅逐脫離，形成質子化的醯胺中間體：

$$\text{CH}_3-\overset{\overset{:\ddot{\text{O}}:^-}{\mid}}{\underset{\underset{^+\text{NH}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3}{\mid}}{\text{C}}}-\text{Cl} \longrightarrow \text{CH}_3-\overset{\overset{\text{O}}{\parallel}}{\text{C}}-\overset{+}{\text{N}}\text{H}_2\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3 + \text{Cl}^-$$

第三步：去質子化（Deprotonation）

體系中的第二當量正丙胺（或脫離出的 $\text{Cl}^-$）作為鹼，奪取質子化醯胺氮原子上的一個質子，釋放出最終的中性醯胺產物：

核心觀念

本題考查烷類（alkanes）的**構型分析（Conformational Analysis）與紐曼投影式（Newman Projection）**的畫法：

1. 紐曼投影式表示法：沿著特定碳–碳單鍵（$\text{C}-\text{C}$）視角觀察分子。前方的碳原子以三條交於一點的鍵（放射狀，互呈 $120^\circ$）表示；後方的碳原子以一個大圓圈表示，三條鍵由圓圈邊緣向外延伸。
2. 正丁烷（Butane）的構型與二面角（Dihedral Angle, $\theta$）：
   沿著正丁烷的 $\text{C}2-\text{C}3$ 鍵觀察：
   • 反式構型（anti conformation）：兩個體積最大的甲基（$-\text{CH}_3$）位於彼此的相對方向，二面角 $\theta = 180^\circ$。
   • 此構型立體障礙（steric hindrance / van der Waals repulsion）最小，且鍵結電子對彼此距離最遠、扭轉張力（torsional strain）為零，是正丁烷所有構型中最穩定、位能最低的交錯構型（staggered conformation）。

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解題方法

1. 確定觀察軸：
   正丁烷結構為 $\text{CH}_3-\text{CH}_2-\text{CH}_2-\text{CH}_3$。通常針對中間的 $\text{C}2-\text{C}3$ 鍵進行扭轉與觀察。
2. 確定各碳上的取代基：
   • 前碳（$\text{C}2$）：接有 $1$ 個甲基（$-\text{CH}_3$）與 $2$ 個氫原子（$-\text{H}$）。
   • 後碳（$\text{C}3$）：接有 $1$ 個甲基（$-\text{CH}_3$）與 $2$ 個氫原子（$-\text{H}$）。
3. 定位各取代基相對角度：
   • 題目要求 anti 構型，兩個 $-\text{CH}_3$ 之夾角（二面角）必須為 $180^\circ$。
   • 若將前碳的 $-\text{CH}_3$ 置於正上方（$12$ 點鐘方向），則後碳的 $-\text{CH}_3$ 必須置於正下方（$6$ 點鐘方向）。
   • 其餘鍵位均為 $-\text{H}$，前碳與後碳的鍵互相錯開呈 $60^\circ$ 交錯排列。

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結構繪製與說明

核心觀念

SN1 反應的速率決定步驟是碳－鹵鍵解離、形成碳正離子，因此速率主要取決於碳正離子的穩定度與離去基能力：

$$\text{速率} \propto \text{碳正離子穩定度} \times \text{離去基能力}$$

三級碳正離子通常比二級碳正離子穩定；烯丙位碳正離子可由共振穩定。離去基方面，Br⁻ 通常比 Cl⁻ 容易離去。若鹵素直接接在烯烴碳上，則形成乙烯基碳正離子極不利，SN1 極慢。

解題方法與各分子判斷

先看鹵素所接的碳：它是乙烯基、一般二級、烯丙位，還是三級烯丙位；再比較離去基。甲醇是極性質子溶劑，適合 SN1 溶媒解，但不會改變以下結構造成的相對趨勢。

• 分子 2：乙烯基溴化物，最慢。 Br 直接接在雙鍵碳上；若解離會形成不穩定的乙烯基碳正離子，且乙烯基碳－溴鍵不易解離，因此 SN1 最不利。
• **分子 3：一般二級氯化物。

核心觀念

本題測驗醇類（Alcohols）與鹵化氫（$\text{HX}$）反應生成鹵代烷（Alkyl halides）的親核性取代反應（Nucleophilic Substitution）：

1. 離去基的活化：醇類的羥基（$-\text{OH}$）為強鹼，屬於極差的離去基（Poor leaving group）。在強酸（$\text{HBr}$）環境下，羥基氧原子上的孤對電子先接受質子（Protonation），轉化為優良的離去基水分子（$-\text{OH}_2^+$）。
2. 基質結構與反應途徑決定：反應物 1-辛醇（1-Octanol，$\text{CH}_3(\text{CH}_2)_6\text{CH}_2\text{OH}$）為直鏈的一級醇（$1^\circ\text{ alcohol}$）。一級碳陽離子（$1^\circ\text{ carbocation}$）能量極高且極不穩定，因此不走 $\text{S}_\text{N}1$ 途徑，而是經由親核基（$\text{Br}^-$）進行背面攻擊的一步協同式 $\text{S}_\text{N}2$（Bimolecular Nucleophilic Substitution）機構完成取代。

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解題方法

步驟一：預測主產物（Major Product）

1-辛醇與氫溴酸（$\text{HBr}$）反應，羥基被溴原子取代，生成溴代烷：

• 主產物：1-溴辛烷（1-Bromooctane，結構簡式為 $\text{CH}_3(\text{CH}_2)_6\text{CH}_2\text{Br}$）及副產物水（$\text{H}_2\text{O}$）。

步驟二：逐步反應機構（Stepwise Mechanism）

• Step 1：醇的質子化（Protonation of the alcohol）
  1-辛醇氧原子上的孤對電子對強酸 $\text{HBr}$ 進行去質子化，形成烷基氧鎓離子（Alkyloxonium ion），使離去基由不易離去的 $-\text{OH}$ 轉化為中性良好的離去基 $-\text{OH}_2^+$：

$$\text{CH}_3(\text{CH}_2)_6\text{CH}_2-\ddot{\text{O}}\text{H} + \text{H}-\text{Br} \rightleftharpoons \text{CH}_3(\text{CH}_2)_6\text{CH}_2-\overset{+}{\text{O}}\text{H}_2 + \text{Br}^-$$

• Step 2：$\text{S}_\text{N}2$ 親核性背面攻擊與離去（$\text{S}_\text{N}2$ displacement）
  第一步解離出的溴離子（$\text{Br}^-$）作為親核基（Nucleophile），從背面攻擊質子化 1-辛醇的 $\alpha$-碳原子，同時將水分子（$\text{H}_2\text{O}$）擠出。此步驟為速率決定步驟（Rate-determining step, RDS）：

核心觀念

本題的核心為周環反應（Pericyclic Reactions）中的環加成反應（Cycloadditions），主要應用以下學理：

1. 前線分子軌域理論（Frontier Molecular Orbital, FMO Theory）：雙分子環加成反應由一分子的最高佔有軌域（HOMO）與另一分子的最低未佔有軌域（LUMO）進行相互作用。
2. 胡德華－霍夫曼規則（Woodward-Hoffmann Rules）與軌域對稱性守恆（Conservation of Orbital Symmetry）：反應欲以協同（concerted）方式進行，軌域重疊末端必須同相位（bonding overlap）；若出現相位不合（antibonding node），則為對稱性禁阻（symmetry-forbidden）。
3. 立體幾何可行性（Stereochemical Feasibility）：環加成分為同面（suprafacial, $s$）與異面（antarafacial, $a$）。對於小環或共軛二烯剛性結構，異面重疊因分子鏈長度限制與嚴重扭阻而無法在幾何上達成。

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解題方法與步驟推導

步驟一：分析基態 1,3-丁二烯（1,3-Butadiene）的分子軌域

1,3-丁二烯具有 $4$ 個 $\pi$ 電子，共形成 $4$ 個分子軌域（$\psi_1 \sim \psi_4$）。在熱反應（Thermal conditions，基態）條件下：

• HOMO 為 $\psi_2$：具有 $1$ 個節面。端點碳（C1 與 C4）的 $p$ 軌域波函數相位相反（opposite phase / anti-symmetric）。
  可標記為： $$\text{C1: }(+)\quad \text{C4: }(-)$$
• LUMO 為 $\psi_3$：具有 $2$ 個節面。端點碳（C1 與 C4）的 $p$ 軌域波函數相位相同（same phase / symmetric）。
  可標記為： $$\text{C1: }(+)\quad \text{C4: }(+)$$

步驟二：探討熱反應下的 HOMO/LUMO 相互作用（$[_4s + _4s]$ 途徑）

考慮兩分子丁二烯以最合理的同面－同面（suprafacial-suprafacial, $[_4s + _4s]$）方式接近並重疊：

1. 取分子 A 的 HOMO（$\psi_2$） 與分子 B 的 LUMO（$\psi_3$） 互相靠近。
2. 第一對端點碳（C1–C1'）：
   分子 A（C1, $+$）與分子 B（C1', $+$）互相重疊 $\rightarrow$ 同相位，形成鍵結性重疊（bonding / constructive overlap）。
3. 第二對端點碳（C4–C4'）：
   分子 A（C4, $-$）與分子 B（C4', $+$）互相重疊 $\rightarrow$ 相反相位，形成反鍵結性重疊（antibonding / destructive overlap，產生節面）。

HOMO/LUMO 端點相位重疊示意：

$$\begin{matrix} \text{Molecule A (HOMO, } \psi_2 \text{):} & (+)\text{ --- C1} & \cdots\cdots & \text{C4 --- }(-) \\ & \Big\Updownarrow \text{ (同相：鍵結)} & & \Big\Updownarrow \text{ (異相：反鍵結)} \\ \text{Molecule B (LUMO, } \psi_3 \text{):} & (+)\text{ --- C1'} & \cdots\cdots & \text{C4' --- }(+) \end{matrix}$$

核心觀念

本題測驗分子間作用力（Intermolecular forces）對物質物理性質（沸點，Boiling point）之影響。

1. 沸點的物理本質：純液體沸騰時，需克服分子與分子之間的吸引力轉變為氣態。因此，分子間作用力愈強，沸點愈高。
2. 分子間作用力強度比較：
   $\text{離子偶極力} > \text{氫鍵（Hydrogen bonding）} > \text{偶極-偶極力（Dipole-dipole interaction）} > \text{倫敦分散力（London dispersion force）}$
3. 分子間氫鍵形成條件：分子內必須具備共價鍵結至高電負度原子（$\text{F}$、$\text{O}$、$\text{N}$）上的氫原子（即氫鍵供體，$\text{H-bond donor}$），方能與相鄰分子的電負度大且具孤對電子（$\text{lone pair}$）之原子（$\text{F}$、$\text{O}$、$\text{N}$，即氫鍵受體，$\text{H-bond acceptor}$）產生分子間氫鍵。

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解題方法

1. 分子式與分子量比對：
   • $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}$（1-丙醇，1-Propanol）與 $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_3$（甲乙醚，Ethyl methyl ether / Methoxyethane）之分子式皆為 $\text{C}_3\text{H}_8\text{O}$，兩者為官能基異構物（Functional isomers），分子量相同（約 $60.10\text{ g/mol}$），因此兩者之凡德瓦爾倫敦分散力（London dispersion force）強度極為相近。
2. 官能基與分子間作用力差異：
   • $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{OH}$（醇類）：具有極性共價鍵 $\text{O-H}$。氧原子電負度極大，使氫原子帶有部分正電荷（$\delta^+$），且氧原子帶有孤對電子。因此，1-丙醇分子之間能形成強大的分子間氫鍵（Intermolecular hydrogen bonds），此外亦具備偶極-偶極力與分散力。
   • $\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OCH}_3$（醚類）：其氧原子僅接於兩個碳原子上（$\text{C-O-C}$），沒有鍵結在氧上的氫原子（缺乏 H-bond donor）。因此，純醚分子與分子之間無法形成分子間氫鍵，分子間最強之吸引力僅為相對較弱的**偶極-偶極作用力（Dipole-dipole interaction）**與分散力。
3. 結論判斷：

核心觀念

判斷兩個立體結構的關係，要比較每個立體中心的絕對構型。兩個分子若所有立體中心構型相同，且原子連接方式相同，就是同一化合物；若所有立體中心都相反，互為對映異構物；若只有部分立體中心不同，則為非對映異構物。

解題方法

先依序標出每個立體中心的四個取代基優先序，再分別判定 Fischer 投影式與 Newman 投影式的 $R/S$ 構型。

Fischer 投影式中，垂直鍵指向紙面後方，水平鍵指向紙面前方。依 CIP 規則，在上下兩個立體中心都是：

$$\mathrm{OH} > \text{相鄰的碳} > \mathrm{CH_3} > \mathrm{H}$$

上方碳的最低優先序 H 在水平鍵上，朝向觀察者；依圖中 $1\to2\to3$ 的方向判定並反轉後，上方碳為 $S$。下方碳同理判定為 $R$。因此 Fischer 投影式為 $(2S,3R)$。